반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

(출처: Nana_studio/Shutterstock.com)

블루투스 SIG(Special Interest Group)는 블루투스 무선 기술을 처음 도입할 당시부터 오디오를 이 기술의 주된 목표 시장으로 겨냥했다. 1999년에 블루투스 1.0이 발표되고서 얼마 지나지 않아 최초의 블루투스 컨수머 제품으로서 핸즈프리 모바일 헤드셋이 시장에 선을 보였다. 지금은 없어졌으나 중요한 컴퓨터 전시회였던 COMDEX에서 이 헤드셋이 ‘최고 제품상’을 수상하면서 블루투스의 상업적 성공을 예고했다.

이러한 성공을 거둘 수 있었던 것은, 블루투스의 1Mbps(실제로는 약 721kbps)에 불과한 원시 데이터 전송속도를 음성 전송에 사용하기에 충분하도록 만들기 위해 이러한 한계를 극복하는 기술적 혁신들을 도입했기 때문이다. 이러한 것 중의 하나가 원래의 아날로그 음성 신호 샘플링을 제한해서 무선으로 전송해야 하는 데이터 양을 줄이는 것이었다.

고품질 디지털 사운드의 기준은 CD이다. 이 기술은 원래의 아날로그 신호를 16bit 정밀도(1.41Mbps)로 44.1kHz로 샘플링한다. 이것은 사람이 20kHz 대역폭에 걸쳐서 들을 수 있는 모든 소리를 포착하기에 충분한 샘플링 속도이다. 그런데 음성 전용 시스템으로는 사람의 청각이 800Hz부터 4kHz까지의 소리에 특히 민감하다는 점을 활용할 수 있다. 이 대역폭으로 소리 파장으로 전달되는 정보의 80%를 포함하며 이 대역폭만으로 음성을 이해하기에 충분하다. 샘플링하는 대역폭을 줄임으로써 샘플링 속도 역시도 8kHz로 줄일 수 있다. 그러면 16bit 정밀도를 유지하면서도 필요로 하는 데이터 전송속도를 128kbps로 줄일 수 있다.

설계 엔지니어가 활용할 수 있는 방법은 아날로그-대-디지털 샘플링뿐만이 아니다. 128kbps가 이상적인 조건으로 블루투스의 능력 이내이기는 하나, 무선 링크로 와이파이 같은 인접한 2.4GHz 소스로부터 간섭을 감안해야 한다. 그러므로 신뢰성을 높이기 위해서 설계 엔지니어들이 코덱을 같이 사용한다. 한 알고리즘을 사용해서 디지털 데이터를 압축해서 무선 링크로 워크로드를 줄이고 상대편에서 또 다른 알고리즘을 사용해서 이 데이터의 압축을 해제하고 원래의 정보를 복구하는 것이다.

스테레오의 까다로운 점

​

모노 음성 데이터를 무선으로 전송하는 것과 스테레오 오디오를 스트리밍하는 것은 전혀 다른 문제이다. MP3(MPEG-1 또는 MPEG-2 Audio Layer 3) 형식이 등장하면서 인터넷의 초기 시대에 스토리지와 파일 공유 요구를 완화하는데 도움이 되었다. 소스 파일을 이미 어느 정도까지 압축한 데다 코덱이 끼어들어서 전송속도 요구를 추가적으로 더 줄이도록 했기 때문이다.

블루투스 SIG도 오디오 엔지니어들을 돕기 위해서 오디오 애플리케이션 용으로 블루투스 프로토콜을 맞춤화 할 수 있는 추가적인 펌웨어를 내놓았다. A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)라고 하는 이 펌웨어는 두 블루투스 디바이스 사이에 오디오 스트리밍을 가능하게 한다. 하지만 A2DP와 MP3가 블루투스의 전송속도 한계를 극복하도록 도움이 됐지만 오디오 품질은 여전히 자랑할 만한 수준이 못 되었다. 블루투스 SIG의 다음 행보는, 복잡도가 낮은 SBC(sub-band codec)를 도입하는 것이었다. 그럼으로써 낮은~중간 비트 레이트로 중간적인 프로세싱 전력으로 오디오 품질을 높이게 되었다.

또한 블루투스 SIG는 A2DP로 AAC(Advanced Audio Coding), HE-AAC(High-Efficiency AAC), ATRAC(Adaptive Transform Acoustic Coding) 같은 특허기술 코덱이나 Qualcomm의 aptX 및 aptX-HD와 Sony의 LDAC 같은 제조업체 고유 코덱을 선택적으로 지원할 수 있도록 문호를 개방했다. 오늘날 상업적으로 출시된 무선 헤드폰의 거의 대부분이 블루투스와 제조업체 고유 코덱을 사용한다. 하지만 이러한 모든 기술 개발에도 불구하고 오디오 애호가들의 기대에는 못 미치고 있다.

그렇다고 오디오 품질 때문에 헤드폰 판매가 지장을 받는 것 같아 보이지는 않는다. 스태티스타(Statista)의 조사에 따르면, 2017년에 무선 헤드폰 출하 개수가 1억4천만 개에 이른다. 이 중의 다수가 ‘OTE(Over-the-Ear)’ 타입인데, 여기에는 그럴 만한 이유가 있다. 블루투스는 무선 헤드폰의 왼쪽 스피커처럼 단일 디바이스로만 오디오를 스트리밍할 수 있다. 그러므로 무선 헤드폰으로 왼쪽 편의 전자장치들이 들어오는 오디오 스트림을 왼쪽 및 오른쪽 채널로 처리하고 오른쪽 채널을 와이어를 통해서 오른쪽 스피커로 전달한다. 그러므로 인이어 헤드폰 혹은 이어버드처럼 와이어가 존재하지 않을 때는 문제가 까다로워진다. 엔지니어들이 이 문제를 극복하는 방법은 들어오는 블루투스 오디오 스트림을 한 쪽 이어버드에서 처리하고, 두 번째 채널을 반대편 이어버드로 무선으로 전송하는 것이다. 이 방법은 만족할 만한 솔루션이기는 하나 프로세서 집중적이며 배터리로 부담을 가중시킨다.

LE 오디오 솔루션

​

블루투스 SIG는 최근에 클래식 블루투스 기술을 블루투스 저에너지로 대체해서 오디오 품질과 전력 소모를 둘 다 해결하려는 의지를 내비쳤다. 블루투스 LE는 원시 데이터 전송속도가 1Mbps인 것은 같으나 전력 소모가 훨씬 낮다.

블루투스 SIG는 LE 오디오가 무선 스테레오 스트리밍을 향상시킬 것이라고 주장하는데, 이렇게 주장할 수 있도록 핵심적 역할을 하는 것이 ‘LE 등시성 통신(LE Isochronous Communication)’이라고 하는 기술이다. 이 기술은 이어버드 쌍과 같은 다중의 디바이스가 각기 자신의 오디오 스트리밍 채널을 수신할 수 있도록 하므로 기존 블루투스 오디오의 한계점을 극복한다. 이 기술이 성공하기 위해서는 채널들을 시간적으로 결합하는 것이 중요하다. 다시 말해서 재생 시에 왼쪽과 오른쪽 채널이 원래의 음악적 타이밍을 정밀하게 유지해야 한다.

LE 오디오는 또한 스테레오 오디오 스트리밍의 과제를 해결하도록 새로운 코덱을 제공한다. LC3(Low Complexity Communication Codec)이라고 하는 이 코덱은 오디오 품질을 높이면서 배터리 전력을 절약하도록 설계되었다. LC3는 “SBC 코덱과 비교해서 50퍼센트 더 낮은 비트 레이트로도 오디오 품질을 향상시킬 것”이라고 블루투스 SIG는 말한다. 설계 엔지니어들의 계산에 따르면, LE 오디오를 실행하는 배터리는 동일한 블루투스 클래식 오디오 애플리케이션에 비해서 사용 시간을 적어도 40퍼센트 연장할 것으로 예상된다. 그러므로 재생 시간을 연장하거나, 또 다르게는 더 작은 배터리를 사용해서 이어버드의 크기를 줄일 수 있다.

글 / 스티븐 키핑(Steven Keeping)

제공 /  마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)